解析3D打印建筑技术和干混砂浆行业

　　5.整体现场打印方案

　　a) 工艺方案

　　整体在现场打印房屋目前还没有， 但是， 相对成熟的方案是南加州大学教授Behrokh Khoshnevis和卡特彼勒的联合资助项目，一个超大型3D打印机的研究项目，设备为结构龙门吊车形式，在导轨式移动。 横梁可以上下摆动前后移动，模块化设计， 打印头在横梁上左右移动，打印材料是干混砂浆混浆泵或打印用混凝土泵车。先将地板部分采用一维打印完成， 放置其它必要的辅件如大门的地板等。 然后一层一层打印至窗户顶， 放置窗顶打印支撑继续打印至楼板层/ 机械吊装楼板预制件， 再继续打印第二层， 这样将整栋房子打印出来。 这样打印出的是不错的毛坯房，还需要完善和装修。

　　b) 打印装备方案

　　在南加州大学教授Behrokh Khoshnevis 的Contour Crafter研究成果基础上， 设计师进一步地扩大CC打印机的能力，加强对于大型三维打印的需要，特别针对现场整体建筑物的打印。他们提供了一种全新的施工方法，把工业化生产和快速原型设计技术结合在一起，可以在比传统工艺短的多的时间机械化“打印”出这个房屋的毛坯。

　　c) 未来星球移居方案

　　欧洲宇航局最近公布了一套月球基地3D打印建筑方案，采用意大利人的D-shape工艺打印。该方案的核心思路是就地取材，对月球表面土壤改性成可以打印的材料。墙体打印成空心封闭的细胞结构。人们发现类似月球土壤(Lunar regolith)，在地球上也有相似的土壤，只是月壤中没有有机物。不远的将来，人们可能会以同样的方式在地球上建筑这样真正绿色建筑。

　　图26：未来月球移居计划中的3D打印方案和打印机器人。

　　6.哪些现状形式适合于3D打印

　　目前，采用常规的混凝土或干混砂浆打印垂直墙体没有问题，只是表面精度和变形还有待改进。对曲面壳体3D打印建筑可以实现打印的有渐放和渐收的对称曲面壳体：

　　因为混凝土和砂浆不像金属和塑料可以极快速固化达到最后强度，它们需要水合反应28天后达到基本强度，后期强度还会变化。所以，如何使打印材料在足够短的时间初凝固化能够承载自重和打印动荷载是打印材料的研究课题。下面是最能体现3D打印强项的形状：

　　7.干混砂浆未来发展

　　几乎占据50%水泥用量的干混砂浆(砂浆)行业，在欧洲经历50多年的发展后逐步被国内市场接受。经历15年中国干混砂浆市场推广，到现在我们在全国各大中型城市的工地都能看到干混砂浆散装罐树立。干混砂浆的用量在迅速增加。另一方面，全球的技术发展迅猛，3D打印现在已经悄悄给建筑业铺垫各种可能的机遇。同时兴起的混凝土预制厂房，组装房屋热潮给传统建筑工艺带来改革推动。

　　细细品味混凝土和干混砂浆，其实它们实质是一样的，只是功能不同，施工工艺不同。在预制工厂它们可以是一起的。随着3D打印技术出现，干混砂浆作为复合材料其生产方式将同时向为建筑结构主体服务和辅助体服务的一体化道路。所以未来3D打印材料将不会区分这么明显。但是，将会根据结构设计和打印工艺分类。现将根据打印工艺对砂浆的要求列表如下(以打印别墅为例)：

　　如果按照SDM工艺，干混砂浆工厂将只是生产”墨水”，也就是类似我们10年前曾经推广的超级粘结剂(super binder)。砂石骨料是打印”纸”，不需要干燥！

　　以上分析明显的结果是砌筑砂浆会完全多余，抹灰砂浆也是按照需要使用，自流平砂浆也逐步退出市场(不排除个性化需求的使用)。装饰方面所谓的粉末涂料或干混砂浆腻子将会更多作为个性化美化使用；除此之外，它将用于不同墙体的装饰板材的打印。未来将出现更多的所谓改性材料，完善打印表面的质感以及功能性如强度，耐磨性，色彩等。国内面临的诸多问题的建筑节能体系，将有望通过3D打印技术而彻底改观。其中的保温材料将有可能突破目前的工艺瓶颈。通过仿生设计的结构，打印和墙体一体的无机保温材料，避免了目前的施工周期长，风险高，脱落等诸多问题。

　　这样的发展使得目前的保温粘接和加固砂浆可能面临淘汰的危险。因为打印的板材将具备互相扣接设计，会更牢固和安全。在未来的绿色生态城市规划和建筑中，即结合减材建筑技术将城市规划和大自然的河山树林融为一体，大规模的劈山造路，盖实心混凝土大广场将一去不复返。就地取材，就地形设计，增材和减材工艺相结合。干混砂浆也将脱出目前普通砂浆的内涵，深入研究无机胶凝材用于就地取材的改性技术，高压灌浆加固技术，开发用于打印封闭细胞空腔结构的轻质材料。其它领域的复合和合成材料，和有机物复合，和金属物复合材料等。

　　8.3D打印建筑发展方向

　　通过以上的理解分析，虽然3D打印建筑工艺对打印材料要求不同，更多的则是建筑结构设计的变革，设计需要更多地和仿生学结合，设计轻质高强度的结构，来弥补3D打印建筑不便采用传统建筑钢筋带来的强度损失。未来的3D打印建筑发展方向将分为-建筑构件打印然后拼装和-整体建筑打印或-更多的是两种互补工艺形式。

　　因为整体打印摩天大厦是不现实的，整体打印建筑在技术上可行的打印尺寸将会是：

　　·一些个性化别墅

　　·军事用营房， 军事基础设施

　　·经济适用小高层

　　·高楼大厦局部艺术造型， 特殊功能的楼顶， 地下室等部分。

　　此外，现行的沙袋地球屋(Sand bag earth house)可以采用CC打印工艺整体完美实现。其原理是采用包装好的沙袋码叠成圆拱形，构筑非常自然的居住环境(见图32)。国内的新农村建设可以以此为样板。目前最可能实现的是通过规划和结构设计改革的生态建筑，3D打印建筑，广义的减材建筑和传统预制件相互结合，实现不用移山填海，砍伐树林建造新型的生态城市

　　3D打印建筑是人类的思想进化，它只是众多的建筑技术中的一种，不可能是万能。但是，3D打印技术的出现却给我们带来思路上反省，我们以前有哪些弯路走过，造成什么样的后果。每一个新技术的采纳，我们是否先要考虑这项技术给我们的未来带来什么后果，好的或坏的，如何应对，机遇和挑战。这就是我们评估一项技术的逻辑方法。

　　反思我们的建筑方式，城市规划是否还在继续大量耗尽自然资源？反思干混砂浆的发展，河沙用完，用机制砂，标榜为先，矿山没有了用什么？我们是否考虑移山造房会给我们和下一代带来什么样的后果？是否评估这项技术的后果，如何应对？反思为什么不考虑中国的建筑工地和欧洲的小别墅建设的区别，盲目一刀切。一个几十万平米的建筑工地，其中用量大的砂浆(地坪，砌筑或抹灰等)是否可以采用超级粘结剂+骨料的机械化施工方式？避免刚生产的，还冒着热气的干混砂浆不一会儿到现场加水搅拌施工，是节能还是浪费？干混砂浆体系将随着由于新技术，资源短缺，思想转变促使整个建筑体系的变革而演变，一切将回归自然，即使是在资源短缺时，人们也不想吃的有毒食品，住不健康，不安全的房屋。

　　3D打印建筑技术通过先驱者们的尝试证明，所以的一切将从”硬功夫”开始。首先是基础材料，从基础的胶凝材着手深入研究水泥和矿物相材料的机理，化学添加剂以及相关装备技术研发；现有的干混砂浆体系在打印材料方面将承担更大的责任和挑战，硬功夫的要求可能会使行业重新洗牌；其次是建筑设计的结构需要更优化的强度重量比，更优的性价比，就地取材的理念会得到进一步实现。打印机器设备将和现有的施工机器结合，包括机器手(人)等，设计的模块化组合，更灵活建筑施工方式等等。3D打印建筑装备将不再闭门造车，不再摸着石头过河；整合资源，分工合作。将是发展的最好机遇，因为全球的3D打印处在起步阶段，大家在同一起跑线上。最后非常重要的是整个建筑监管体系包括规范标准，检验和认证。

　　作者：蔡兵，德国工学博士(Dr.-Ing. Bing Cai)  德国杰斯(扬州)智能环保科技有限公司